【導讀】本文對于 MOS 管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應的原因與現象進(jìn)行了分析。巧妙的應用 Miller 效應可以實(shí)現電源的緩啟動(dòng)。
01 Miller效應
一、簡(jiǎn)介
MOS管的米勒效應會(huì )在高頻開(kāi)關(guān)電路中，延長(cháng)開(kāi)關(guān)頻率、增加功耗、降低系統穩定性，可謂是臭名昭著(zhù)，各大廠(chǎng)商都在不遺余力的減少米勒電容。
下面波形是在博文 ZVS振蕩電路工作原理分析[1] 中觀(guān)察到振蕩 MOS 管柵極電壓與漏極電壓波形?？梢钥吹綎艠O電壓在上升階段具有一個(gè)平坦的小臺階。這就是彌勒效應所帶來(lái)的 MOS 管驅動(dòng)電壓波形的變化。
圖1.1.1 LTspice仿真ZVS振蕩器電路圖
圖1.1.1 ZVS振蕩電路MOS管柵極電壓波形
二、仿真波形
為了說(shuō)明 MOS 管的 Miller 效應，下面在 LTspice 中搭建了最簡(jiǎn)單的 MOS 管開(kāi)關(guān)電路。
圖1.2.1 MOS管開(kāi)關(guān)電路
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下面給出了 MOS 管 M1 的漏極與柵極電壓波形，可以清楚的看到柵極電壓在上升與下降階段都出現了小臺階。
圖1.2.2 Miller效應仿真結果 R1=5kOhm
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為了分析臺階產(chǎn)生的過(guò)程， 下圖給出了仿真電路中 MOS 管的柵極電壓與電流波形。
圖1.2.3 MOS管柵極電壓與電流波形
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可以看到 MOS 管柵極電流包括三個(gè)階段：
● 階段1：柵極電壓快速上升，電流呈現先快后慢的電容充電過(guò)程；
● 階段2：柵極電壓呈現平臺，電流急劇線(xiàn)性增加；
● 階段3：柵極電壓與電流都呈現電容充電過(guò)程；
圖1.2.4 MOS管導通過(guò)程的三個(gè)階段
三、Miller 原理說(shuō)明
下圖是一般 MOS 管三個(gè)電極之間的分布電容示意圖。其中：Cgs稱(chēng)為GS寄生電容，Cgd稱(chēng)為GD寄生電容，輸入電容Ciss=Cgs+Cgd，輸出電容Coss=Cgd+Cds，反向傳輸電容Crss=Cgd，也叫米勒電容。
圖1.3.1 MOS管分布電容
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米勒效應的罪魁禍首就是米勒電容，米勒效應指其輸入輸出之間的分布電容Cgd在反相放大的作用下，使得等效輸入電容值放大的效應，米勒效應會(huì )形成米勒平臺。
上面描述柵極電壓、電流變化三個(gè)階段分別是：
● 階段1：柵極電壓從 0V 開(kāi)始增加到 MOS 管導通過(guò)程。在此過(guò)程中， Miller 電容不起作用，是驅動(dòng)電壓通過(guò)柵極電阻給 Cgs 充電過(guò)程；
● 階段2：MOS 管導通，使得 MOS 管漏極電壓下降，通過(guò) Miller 電容將柵極充電電流吸收到漏極，造成 Cgs 充電減小，形成電壓平臺；
● 階段3：Miller 電容充滿(mǎn)，柵極電流向 Cgs, Cgd 充電，直到充電結束。
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那米勒效應的缺點(diǎn)是什么呢？下圖顯示了在電感負載下，由于 Miller 效應 MOS管的開(kāi)關(guān)過(guò)程明顯拉長(cháng)了。MOS管的開(kāi)啟是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，MOS管D極和S極重疊時(shí)間越長(cháng)，MOS管的導通損耗越大。因為有了米勒電容，有了米勒平臺，MOS管的開(kāi)啟時(shí)間變長(cháng)，MOS管的導通損耗必定會(huì )增大。
圖1.3.2 MOS管在電感負載下的電流電壓圖
四、消除Miller效應
首先我們需要知道的一個(gè)點(diǎn)是：因為MOS管制造工藝，必定產(chǎn)生Cgd，也就是米勒電容必定存在，所以米勒效應不可避免。在上述 MOS 開(kāi)關(guān)電路中，徹底消除Miller 效應是不可能的。但可以通過(guò)減少柵極電阻 Rg來(lái)減少 Miller 效應的 影響。下圖是將柵極電阻 Rg 減少到 100Ω，可以看到柵極電壓中的 Miller 平臺就變得非常微弱了。
圖1.3.4 減少MOS管柵極電阻 Rg=100Ω對應的柵極電壓與電流波形
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MOS管的開(kāi)啟可以看做是輸入電壓通過(guò)柵極電阻R1對寄生電容Cgs的充電過(guò)程，R1越小，Cgs充電越快，MOS管開(kāi)啟就越快，這是減小柵極電阻，米勒平臺有改善的原因。
五、利用Miller效應
MOS 管的 Miller 也不是一無(wú)是處，也可以利用 Miller 效應，實(shí)現電路緩啟動(dòng)的目的。認為的增加 MOS 管的柵極電阻，并在 MOS 管的漏極與柵極之間并聯(lián)大型電容，可以人為拉長(cháng) Miller 臺階。
在下面電路中，認為的增加了柵極電阻和漏極和柵極之間的并聯(lián)電容，這樣就可以大大延長(cháng) Miller臺階的過(guò)程。輸出的波形形成了一個(gè)三角脈沖的形式。
圖1.5.1 人為增加柵極電阻和漏柵極之間的電容
圖1.5.2 人為拉長(cháng) Miller 臺階過(guò)程
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下面電路是利用了 PMOS 管上的 Miller 電容，實(shí)現了輸出電壓的緩啟動(dòng)，是用于一些電源上升速率有嚴格要求的場(chǎng)合。
圖1.5.3 利用PMOS的Miller 效應完成電源的緩啟動(dòng)
總結
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本文對于 MOS 管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的 Miller 效應的原因與現象進(jìn)行了分析。巧妙的應用 Miller 效應可以實(shí)現電源的緩啟動(dòng)。
來(lái)源：TsinghuaJoking，卓晴
參考資料
[1] ZVS振蕩電路工作原理分析: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/126400671
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